山西省中部引黃工程西干線平面施工控制網(wǎng)的建立

劉 瑛

(太原市勘察測(cè)繪研究院,山西太原 030002)

山西省中部引黃工程西干線平面施工控制網(wǎng)的建立

劉 瑛?

(太原市勘察測(cè)繪研究院,山西太原 030002)

山西省中部引黃工程西干線隧洞總長(zhǎng)度達(dá)85.6 km,為保證隧洞正確貫通,控制網(wǎng)要求等級(jí)和精度較高。平面控制網(wǎng)的建立充分應(yīng)用GPS定位技術(shù),通過GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)、外業(yè)施測(cè)、平差計(jì)算、資料整理等工序,高效、快速、高精度地完成了全部工作,為中部引黃工程西干線隧洞施工測(cè)量、正確貫通提供了準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)資料。

隧洞;GPS測(cè)量;貫通

1 工程概述

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項(xiàng)重要的工程,包括取水工程和輸水工程,其中輸水工程包括總干線、東干線、西干線以及各供水支線輸水。西干線接總干線樁號(hào)總200+217.14,向西南方向從石樓縣東部山區(qū)穿過,依次在樁號(hào)西34 +576.69及西48+890.75處設(shè)分水口,分別給柳林生態(tài)園及石樓縣分水,然后隧洞再向南,在牛家?guī)X穿分水嶺后進(jìn)入臨汾市隰縣境內(nèi),在隰縣下王家莊南部的昕水河左岸山體穿出,全長(zhǎng)86.13 km。西干隧洞出口設(shè)十字分水閘,分別向隰縣、蒲縣大寧支線分水,并解決西干隧洞石樓至隰縣段退水問題。西干線除西85+ 587.05至西85+697.58處有一處長(zhǎng)110.57 m的埋涵外,全線其余地方都為隧洞工程,隧洞長(zhǎng)度達(dá)85.6 km,隧洞最大埋深694 m,隧洞平均高程940.61 m,中線設(shè)計(jì)共有14個(gè)拐點(diǎn)、24個(gè)支洞口和1個(gè)隧洞出口。

工程作業(yè)區(qū)位于山西省的西部高原,地形是以呂梁山脈為骨干的山地型高原,作業(yè)區(qū)內(nèi)溝壑縱橫、高差較大、交通不便,支洞洞口均位于狹長(zhǎng)的山谷內(nèi),通視困難,施工控制網(wǎng)的建立難度較大。

受山西省中部引黃工程管理局委托,太原市勘察測(cè)繪研究院承擔(dān)了西干線施工控制網(wǎng)測(cè)量任務(wù),目的是為各施工單位提供統(tǒng)一、準(zhǔn)確的控制點(diǎn)資料,以保證西干線隧洞的正確貫通。項(xiàng)目組依據(jù)西干線的總體布局和實(shí)際地形情況,采用先進(jìn)的技術(shù)手段,經(jīng)過控制網(wǎng)設(shè)計(jì)、外業(yè)施測(cè)、平差計(jì)算、資料整理等工序,高標(biāo)準(zhǔn)地完成了平面控制網(wǎng)的建立,現(xiàn)將主要過程作一介紹,希望對(duì)于類似的工程有一定的參考價(jià)值。

2 平面控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)

2.1 布網(wǎng)方案的選擇

根據(jù)西干線的總體布局和實(shí)際地形情況,如選擇布設(shè)二等導(dǎo)線網(wǎng),則會(huì)增大勞動(dòng)強(qiáng)度、延長(zhǎng)工期,并且導(dǎo)線測(cè)量誤差會(huì)迅速積累,不利于隧洞的正確貫通。所以我們決定布設(shè)GPS控制網(wǎng),由于西干線全線基本上全部為隧洞,作業(yè)區(qū)全部集中在支洞口,在隧洞出口、各支洞口一次布設(shè)GPS網(wǎng),統(tǒng)一設(shè)計(jì)、觀測(cè),整體平差,這樣整個(gè)施工控制網(wǎng)精度比較均勻,將有利于隧洞的正確貫通,并且勞動(dòng)強(qiáng)度低、作業(yè)時(shí)間短、費(fèi)用較低[1]。

2.2 貫通誤差的確定及分配

《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL52-93)中表1對(duì)貫通誤差的限差及貫通中誤差分配值有明確規(guī)定[2]。

表1 水工隧洞開挖貫通誤差

在進(jìn)行貫通測(cè)量設(shè)計(jì)時(shí),可取極限誤差的1/2,作為貫通面上的貫通中誤差,根據(jù)隧洞長(zhǎng)度,各項(xiàng)測(cè)量中誤差的分配,應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 貫通中誤差分配值

西干線各支洞間相向開挖長(zhǎng)度(包括支洞)為2.8 km～6.2 km,因?yàn)楸竟こ痰孛婵刂茰y(cè)量只分一級(jí)布設(shè),因此GPS網(wǎng)中最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差應(yīng)小于±30 mm。

在控制貫通誤差方面,采用等級(jí)較高的GPS C級(jí)網(wǎng),最后解算的控制網(wǎng)中的點(diǎn)位中誤差均較小,最弱點(diǎn)的點(diǎn)位精度也很高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于貫通誤差的所需要的點(diǎn)位中誤差要求。

2.3 GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

采用與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系一致的1980年西安坐標(biāo)系(3°帶高斯投影,中央子午線111°);平面控制網(wǎng)起算數(shù)據(jù)為山西省連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站(柳林、交口、永和),山西省連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站覆蓋全省范圍,至本項(xiàng)目開始已穩(wěn)定運(yùn)行了三年多,本施工控制網(wǎng)的位置基準(zhǔn)、方向基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)均由上述3個(gè)基準(zhǔn)站二維約束整網(wǎng)平差實(shí)現(xiàn);網(wǎng)內(nèi)重合觀測(cè)中陽縣、蒼灣、崔家莊3個(gè)國(guó)家GPS C級(jí)控制點(diǎn),聯(lián)測(cè)點(diǎn)位中誤差應(yīng)小于±30 mm。

(2)圖形設(shè)計(jì)

按照《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》(SL52-93)要求,施測(cè)等級(jí)為二等,整網(wǎng)以同步三角形和邊連式沿南北線路方向擴(kuò)展成GPS網(wǎng)鎖;在每個(gè)支洞口、出口附近布設(shè)3個(gè)控制點(diǎn)(布成三角形)并且相互通視,每個(gè)洞口相鄰控制點(diǎn)保證同步觀測(cè)。GPS網(wǎng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)[3]如表3所示。

表3 GPS網(wǎng)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

(3)觀測(cè)方案

綜合考慮GPS網(wǎng)的布設(shè)方案、衛(wèi)星的可見性預(yù)報(bào)、網(wǎng)的連接方式、各時(shí)段觀測(cè)時(shí)間和交通情況,制定了最佳的觀測(cè)方案。

3 平面控制網(wǎng)的測(cè)量

選點(diǎn)、埋石及外業(yè)施測(cè)按相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。

3.1 數(shù)據(jù)處理

基線處理軟件采用LGO軟件,軟件版本為7.0;平差軟件采用武漢大學(xué)的科傻軟件,軟件版本為V5.21。

(1)SXCORS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)

本次坐標(biāo)聯(lián)測(cè)的GPS數(shù)據(jù)處理具體方法為,引入3個(gè)SXCORS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站,并與聯(lián)測(cè)站點(diǎn)按時(shí)段解算,目的是將聯(lián)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)基準(zhǔn)與CGCS2000系坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一。

(2)精密星歷

衛(wèi)星軌道的精度是影響GPS基線解算精度的重要因素之一,其對(duì)基線的影響可以較為精確地用下式給出:

式(1)中|△r|為衛(wèi)星軌道的誤差,r為衛(wèi)星至測(cè)站的位置矢量,|△b|為基線矢量的誤差,b為兩站之間基線矢量。設(shè)r=22 000 km,b=100 km,如|△r| =20 m,則星歷誤差對(duì)基線解算在最不利的情況下影響為2.2 cm。由此可見,提高衛(wèi)星軌道的精度是保證GPS相對(duì)定位精度的關(guān)鍵之一。

本次聯(lián)測(cè)網(wǎng)的處理,采用IGS精密星歷,其軌道精度達(dá)到0.05 m。在這種情況下,如控制網(wǎng)中的邊長(zhǎng)為100 km,星歷對(duì)基線解算在最不利的情況下影響也不超過0.1 mm。

(3)GPS網(wǎng)基線處理

復(fù)測(cè)基線的長(zhǎng)度較差ds應(yīng)滿足下列公式的規(guī)定[4]:

式中:σ為基線測(cè)量中誤差(儀器的標(biāo)稱精度),其中a取5 mm,b取1 mm/km,d取基線長(zhǎng)度(km)。

本網(wǎng)復(fù)測(cè)基線的長(zhǎng)度較差最大的基線為C060-C061,基線長(zhǎng)度為0.6 km,2.963 9 mm,小于限差14.31 mm,可見網(wǎng)中復(fù)測(cè)基線的長(zhǎng)度較差滿足規(guī)范要求。

(4)基線處理各項(xiàng)指標(biāo)

外業(yè)基線處理結(jié)果,其獨(dú)立閉合環(huán)或附合路線坐標(biāo)閉合差Ws和各坐標(biāo)分量閉合差(Wx、Wy、Wz)應(yīng)滿足下列公式規(guī)定[4]:

本網(wǎng)獨(dú)立環(huán)閉合差計(jì)算結(jié)果中,閉合差最大的環(huán)為C053-C046-C052,閉合環(huán)總長(zhǎng)度為9.6 km,Wx=5.3 mm,Wy=-13.1 mm,Wz=-15.6 mm,均小于限差30.3 mm,Ws=21.0 mm,小于限差52.5 mm,可見基線向量分量閉合差和獨(dú)立環(huán)閉合差滿足規(guī)范要求。

(5)平差

二維平差采用武漢大學(xué)研制的COSA軟件進(jìn)行,以SXCORS基準(zhǔn)站(柳林、交口、永和)的西安80坐標(biāo)作為起算坐標(biāo),進(jìn)行二維向量網(wǎng)平差,計(jì)算出二等GPS點(diǎn)的西安80坐標(biāo)。

3.2 施工控制網(wǎng)的建立和轉(zhuǎn)換

該施工控制網(wǎng)應(yīng)投影至隧洞平均高程面的高斯平面上。即采用1980西安坐標(biāo)系,3°帶高斯投影,中央子午線111°,940 m投影面。

理由分析如下:對(duì)于隧洞工程通常采用隧洞平均高程面作為施工控制網(wǎng)的投影面,西干線主洞起點(diǎn)底面高程為954.07 m,終點(diǎn)底面高程為925.36 m,因此將西干線主洞底面平均高程(939.715 m進(jìn)行取整) 940 m作為施工坐標(biāo)系投影面。由長(zhǎng)度歸算至參考橢球面和投影至高斯平面的改正公式[5]:

本項(xiàng)目中采用隧洞平均高程面作為投影面,則長(zhǎng)度歸化改正為零。隧洞線路呈東北-西南走向,東西跨度23.66 km,隧洞最東側(cè)位于中央子午線111°以東18 182 m,最西側(cè)位于中央子午線111°以西5 481 m。高斯投影引起的變形值最大為0.4 cm/km,遠(yuǎn)小于2.5 cm/km,滿足規(guī)范要求。

4 平面控制網(wǎng)精度及GPS測(cè)量誤差對(duì)橫向貫通誤差的影響

4.1 平面控制網(wǎng)精度

平面控制網(wǎng)最弱邊長(zhǎng)相對(duì)精度、最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差、新測(cè)坐標(biāo)與原有控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比、施工單位復(fù)測(cè)坐標(biāo)對(duì)比均在限差之內(nèi),如表4～表7所示。

表4 最弱邊長(zhǎng)相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)

表5 點(diǎn)位精度分析

表6 新測(cè)坐標(biāo)與原有控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比分析(3個(gè))

表7 施工單位復(fù)測(cè)控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比分析(部分)

4.2 GPS測(cè)量誤差對(duì)橫向貫通誤差影響的估計(jì)

用GPS測(cè)量技術(shù)建立隧洞施工控制網(wǎng),估算控制網(wǎng)測(cè)量誤差對(duì)隧洞橫向貫通誤差的影響值,尚無明確規(guī)范可遵循,本項(xiàng)目參照國(guó)際“歐洲隧道公司”橫穿英吉利海峽的“歐洲隧道”的分析方法,用控制網(wǎng)的平均相對(duì)誤差估計(jì)貫通誤差的影響值。

按GPS網(wǎng)最弱邊相對(duì)中誤差1/283 000的精度計(jì)算,對(duì)于8 km長(zhǎng)的隧洞,GPS測(cè)量對(duì)貫通誤差的影響值中誤差為8 km×1/283 000=±28 mm＜150 mm。1/283 000是最弱邊相對(duì)中誤差,實(shí)測(cè)中控制網(wǎng)的平均相對(duì)精度必然高于1/283 000,因而地面GPS網(wǎng)對(duì)貫通誤差影響值中誤差要低于±28 mm,完全可以滿足隧洞貫通的要求。

5 結(jié) 語

本工程充分應(yīng)用GPS定位技術(shù),高效、快速、高精度地完成了全部工作,為中部引黃工程西干線隧洞施工測(cè)量、正確貫通提供了準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)資料,經(jīng)各個(gè)標(biāo)段施工測(cè)量隊(duì)伍復(fù)測(cè)和使用后反饋意見,認(rèn)為該控制網(wǎng)布設(shè)合理、精度可靠,完全能滿足中部引黃工程西干線施工要求。

[1] 王麗英,賈曉堂.觀音閣水庫引水工程施工控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)[J].測(cè)繪通報(bào),2012(6).

[2] DL/T 5173-2003.水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范[S].

[3] 秦長(zhǎng)利.城市軌道交通工程測(cè)量[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[4] 李征航,黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M].武昌:武漢大學(xué)出版社,2005.

[5] 孔祥元,郭際明.控制測(cè)量學(xué)[M].武昌:武漢大學(xué)出版社,1996.

The Establishment of Plane Control Network in the West Main Tunnel of Middle Yellow River Diversion Project in Shanxi Province

Liu Ying
(Taiyuan Institute of Surveying and Mapping,Taiyuan 030002,China)

The total length of the west main tunnel of middle Yellow River diversion project in Shanxi Province is 85.6 km.In order to ensure the accurate cut-through of the tunnel,the control network requires high level and high precision.The establishment of plane control network fully applies GPS positioning technology.All the work was finished with high efficiency,rapid and high precision,which include the adjustment of GPS network design,field testing,calculation,data compilation process and so on.,It provides the basis of accurate and correct information for the Yellow River diversion project in central west main tunnel construction measure.

tunnel;GPS measure;cut-through

2013—12—30

劉瑛(1979—),男,工程師,主要從事工程測(cè)量工作和測(cè)量項(xiàng)目管理工作。